А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 39
Текст из файла (страница 39)
д.) — β-участокдругого листа, а иногда и отдельный β-лист. Иногда (довольно редко) вперемычке между параллельными β-участками нет ни α-, ни β-структуры,но и тогда эта перемычка обычно право-, а не левовинтовая.Рис. 14-15. типичный, правовинтовой ходперемычек между параллельными β-тяжамиодного листа. В перемычке обычно находитсяеще один участок вторичной структуры190Лекция 15классификация структур белков.
Отсутствие наблюдаемой «макроэволюции» укладок белковых цепей — при наблюдаемой «микроэволюции» их структур. дупликация гена и специализация. Эволюцияпутем перемешивания доменов. «стандартные» третичные структуры. типичность «квазислучайного» чередования аминокислот в первичных структурах глобулярных белков, контраст с периодическимипервичными структурами фибриллярных белков и блочными — мембранных белков.
Физические принципы строения белковой глобулы.Основные закономерности, наблюдаемые в структурах белковыхглобул: наличие отдельно α- и отдельно β-слоев; редкость перекрывания петель; редкость параллельности соседних по цепи структурных сегментов; редкость левых β-α-β-суперспиралей. «Энергетические» и «энтропийные» дефекты редко встречающихся структур исвязь этих «дефектов» с относительной редкостью аминокислотныхпоследовательностей, стабилизирующих «дефектные» структуры.«Принцип множественности».На этой лекции мы попробуем разобраться в вопросе о том, почемубольшинство белков вписывается в узкий набор стандартных структур, —из прошлых лекций вы должны были вынести именно такое впечатление.На самом деле здесь действует правило «80 % : 20 %».
В его исходномвиде оно гласит: «80 % всего пива выпивается 20 % населения». В применении к белкам — «80 % всех белков вписывается в 20 % наблюдаемыхархитектур белковых глобул». И в предыдущих лекциях я позволил себесосредоточиться именно на типичных структурах.Итак, почему же большинство белков вписывается в узкий набор стандартных структур? И почему не все (как цепи дНк)? На каком структурномуровне проявляется это сходство? И что стоит за этими общими структурами: память об общем происхождении? функциональная целесообразность? или необходимость удовлетворять общим принципам сворачиваниястабильных белковых структур? И на каком структурном уровне проявляется сходство белков, имеющих разное происхождение и функцию?192На этой лекции мы рассмотрим эти вопросы на качественном уровне,а потом, накопив немного знаний по самоорганизации белков, попробуемответить на те же вопросы более строго. Пока расшифрованных белков было мало — где-то до середины1970-х гг.
— бытовало представление, что каждая третичная структураглубоко уникальна, т. е. что белки разных эволюционных семейств не похожи друг на друга. Однако, по мере роста информации о пространственном строении белковых молекул становилось все яснее, что существуюткакие-то «типовые проекты» строения белковых глобул. Архитектурывновь расшифрованных белков (или, по крайней мере, их доменов) всечаще и чаще оказывались сходными с архитектурами белков уже известных — но при этом совсем других и по функции, и по аминокислотной последовательности. Поэтому начало складываться и крепнуть мнение, не разуже встречавшееся в этих лекциях, что причина сходства третичных структур белков заключается, видимо, не только в эволюционной дивергенциии не (или не только) в функциональной конвергенции белков, а простов ограничении набора укладок какими-то физическими закономерностями.к концу 1970-х гг.
стало окончательно ясно, что между двумя «традиционными» структурными уровнями (вторичная структура белкаи его детальная атомная трехмерная структура) находится промежуточный уровень — уже известный нам «мотив укладки» белковой цепи(“folding pattern”), что он определяется взаимным расположением αи / или β-участков в глобуле и что именно на этом уровне проявляетсясходство белков, не связанных ни эволюционно, ни функционально. В отличие от детальной, атомной трехмерной структуры, «мотивы укладки»удивительно просты и даже красивы (рис.
15-1).Открытие того, что одни и те же — или очень похожие — архитектурычасто встречаются в белках, совсем не сходных функционально или филогенетически, заложило основы физической, или рациональной (как эточаще называется в литературе), классификации белков. Наиболее полная классификация структур белков представлена в компьютерных классификаторах “Dali / FSSP”, сделанном Л. Холм и к. сандером, “сАтН” (Class — Architecture — Topology — Homology), сделанномв группе дж. торнтон, и в самом, пожалуй, популярном из них — “SCOP”(Structural Classification of Proteins), сделанном А.
Г. Мурзиным после егопереезда из Пущино в кембридж.классификация относится, собственно, к строению доменов, т. е. компактных глобул, существующих либо самих по себе, либо в составе многодоменного белка. Она начинается (см. рис. 15-1) со структурного класса193домена (α, β и т. д.). классы подразделяются по архитектурам (точнее —архитектурным типам) каркаса, сложенного из α- и/ или β-участков; а архитектуры разделяются по топологиям прохождения цепи через каркас(т. е. по мотивом укладки цепи).Рис.
15-1. структурные классы белков (α, β, α–β и “Low Secondary Structure”,т. е. «со скудной вторичной структурой»), типичные архитектуры (“Non-bundle”,т. е. «не-пучки», “Bundle”, т. е. «пучки», “Ribbon”, т. е. «ленты», “Barrel”, т. е.«цилиндры», «Sandwich», т. е. «сэндвичи», “Roll”, т. е.
«рулоны», “2-layer”и “3-layer sandwich”, т. е. «двухслойные» и «трехслойные сэндвичи», и “Complex”,т. е. «сложные [для описания]»), и типичные мотивы укладки цепи (топологии)по физической классификации белков (сАтН): глобиновый мотив; пучок типа«вверх-вниз»; ОБ-укладка; иммуноглобулиновый мотив; рулет; трилистник;УБ-рулон; α / β-цилиндр; αβ-складка; двойная обмотка. Ширина сектора отвечаетраспространенности структур данного типа в негомологичных белках.
Обратитевнимание на слоевую упаковку α- и β-структур и на то, что каждый слой сложенлибо только из α-спиралей, либо только из β-тяжей, но не из α-спиралей и β-тяжейодновременно. картинка, с внесенными в нее (с любезного согласия C. A. Orengoи J. M. Thornton) небольшими изменениями, взята из C. A. Orengo, A. D. Michie,S. Jones, D. T. Jones, M. B. Swindells & J. M. Thornton, Structure (1997) 5, 1093194И уже далее мотивы подразделяются на суперсемейства, где просматривается хоть какая-то гомология (след общего происхождения) последовательностей, суперсемейства — на семейства с явно проявляющейсягомологией, и т. д. вплоть до отдельных белков конкретных организмов.Физическая классификация белковых структур (класс—архитектура—топология) дает возможность не только систематизировать структуры ужеизученные, но и предсказывать будущие открытия белковых структур.
так,долгое время были известны только такие β-белки, которые сложены из антипараллельной β-структуры, а на месте β-белков, сложенных из параллельной β-структуры зияла лакуна. Однако потом она заполнилась (помнитеβ-призмы?). рисунок 15-2 показывает пример такой классификации структур белковых глобул, которая оставляет «вакансии» для возможных, но (еще?) не обнаруженных укладок цепи.
Любопытно, что эта классификация («деревья»А. В. Ефимова) основана на постепенном росте и усложнении небольшихисходных «затравочных» структур разных типов. Эта схема может интерпретироваться в терминах имитации сворачивания белка (отмечу, что современное представление об этом процессе, полученное из совершенно другихэкспериментальных и теоретических данных, — об этом речь пойдет черезнесколько лекций — базируется на нуклеации сворачивания глобулы образованием ее небольшой части). Однако эти же «деревья» могут интерпретироваться в терминах имитации эволюционной истории белков. Вопрос, который всегда волнует биолога, видим ли мы эволюциюструктур белков?В сущности, этот вопрос распадается на два: (1) Видим ли мы микроскопическую эволюцию белков, т.
е. не просто «дрейф», изменение белкаот организма к организму, но такое его изменение, которое как-то связанос изменением всего организма? (2) Видим ли мы «макроскопическую»эволюцию белков, т. е. усложнение их структуры с усложнением структуры организма? На первый вопрос мы можем смело ответить — да. Хотя далеко не всеизменения белка играют ясную функциональную роль (что подчеркивается «нейтральной теорией эволюции» кимуры), однако в некоторыхслучаях функциональная роль изменений белка понята и хорошо изучена.Например, гемоглобин ламы (высокогорного животного) сильнее связывает кислород, чем гемоглобины ее родственников, живущих на равнине.Еще явственнее такая подстройка под условия существования наблюдается при сравнении гемоглобинов взрослого животного и плода: последние должны забирать кислород у матери, т.
е. связывать его сильнее.195И М. Перутц показал, какие микроскопические изменения в структурегемоглобина ответственны за это усиление связывания.Рис. 15-2. Часть «структурного дерева» (Efimov A. V., FEBS Letters (1997) 407:37–46), основанного на постепенном росте и усложнении небольших исходных«затравочных» структур. Обратите внимание на «эффект матрешки» — содержание более простой структуры внутри более сложной. Показанный фрагмент ветвиотносится к той части β-белков, в основе которых лежит β-шпилька, согнутаяпод прямым углом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
